近幾年，FPGA這個名詞越來越多地出現在我們身邊。但對于大多數人來說，FPGA依然是神秘而陌生的。那么什么是FPGA呢？FPGA怎么使用呢？讓我們結合其在云計算行業中的應用，簡單介紹一下。

Q

什么是FPGA?

A

通俗來講，它是一種芯片，和我們熟知的CPU、GPU、ASIC芯片一樣，有其自己的應用場景。FPGA（Field Programmable Gate Array）中文名現場可編程邏輯門陣列，是可編程器件，與傳統邏輯電路和門陣列（如PAL、GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的結構，允許無限次的編程。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。 ?

FPGA的優勢

近幾年人工智能、大數據各種web服務的規模在指數級的增長，而通用處理器（CPU）的摩爾定律的性能的提升遇到瓶頸。人們通過使用定制硬件來加速常見的計算任務，然而日新月異的行業又要求這些定制的硬件可被重新編程來執行新類型的計算任務。FPGA的可編程屬性進入人們的視野。

通常，計算密集型任務，如：矩陣運算、圖像處理、機器學習、壓縮、非對稱加密、搜索引擎的排序等。這類任務一般是CPU把任務卸載（offload）給FPGA去執行。對這類任務，目前我們正在用的Intel Stratix V FPGA的整數乘法運算性能與20核的CPU基本相當，浮點乘法運算性能與8核的CPU基本相當。

Intel Stratix 10 FPGA，配備更多的乘法器和硬件浮點運算部件，理論上可達到與現在的頂級CPU旗鼓相當的計算能力。 在云計算數據中心，FPGA相比與CPU和GPU的核心優勢在于延遲更低。各芯片的延遲對比，如下圖：

對通信密集型任務，FPGA相比CPU、GPU 的優勢就更大了。從吞吐量上講，FPGA上的收發器可以直接接上40 Gbps甚至100 Gbps的網線，線束處理任意大小的數據包；而CPU需要從網卡把數據包收上來才能處理，很多網卡是不能線束處理64字節的小數據包的。盡管可以通過插多塊網卡來達到高性能，但CPU和主板支持的PCIe插槽數量往往有限，而且網卡、交換機本身也價格不菲。

從延遲上講，網卡把數據包收到CPU，CPU再發給網卡，即使使用DPDK這樣高性能的數據包處理框架，延遲也有4-5微秒。更嚴重的問題是，通用CPU的延遲不夠穩定。例如當負載較高時，轉發延遲可能升到幾十微秒甚至更高，操作系統中的時鐘中斷和任務調度也增加了延遲的不確定性。

FPGA在云計算的應用

云計算中心部署FPGA大致有三種場景：

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專用集群場景

FPGA服務器作為專用服務器里面插滿了FPGA加速卡，就像是一個FPGA組成的超級計算機。例如，某公司的實際應用一塊PCIe卡上放了6塊FPGA，每臺1U服務器上又插了4 塊PCIe卡。

2

網絡集群場景

為了保證數據中心中服務器的同構性，在每臺服務器上插一塊FPGA，FPGA之間通過專用網絡連接。

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獨立節點場景

FPGA脫離服務器，作為獨立的角色存在于云計算集群中。把FPGA部署在網卡和交換機之間。如下圖所示，每個FPGA有一個4 GB DDR3-1333 DRAM，通過兩個PCIe Gen3 x8 接口連接到一個CPU socket（物理上是PCIe Gen3 x16接口，因為FPGA沒有x16的硬核，邏輯上當成兩個x8的用）。物理網卡（NIC）就是普通的40 Gbps網卡，僅用于宿主機與網絡之間的通信。




FPGA（SmartNIC）對每個虛擬機虛擬出一塊網卡，虛擬機通過SR-IOV直接訪問這塊虛擬網卡。原本在虛擬交換機里面的數據平面功能被移到了FPGA里面，虛擬機收發網絡數據包均不需要CPU參與，也不需要經過物理網卡（NIC）。這樣不僅節約了CPU資源，還提高了虛擬機的網絡性能，把同數據中心虛擬機之間的網絡延遲降低了10倍。

FPGA復用主機網絡的初心是加速網絡和存儲，更深遠的影響則是把FPGA之間的網絡連接擴展到了整個數據中心的規模，做成真正的cloud-scale 超級計算機。?

審核編輯：劉清